水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測研究

鐘琦皓,王啟凡,蔣曉艷,劉菲菲

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,南京 210000;2.華設設計集團股份有限公司 常州分公司,江蘇 常州213000;3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

0 引 言

水利樞紐泵閘大體積混凝土結構出現開裂,不僅影響整體結構穩定性,而且對于表層施工安全性也有不利影響。同時,受到混凝土張力的影響,表層裂縫如果得不到及時修補,其開裂程度會不斷加深,最終危害到內部結構的穩定性。因此,為了確保水利樞紐泵閘的正常運轉,需要對混凝土開裂風險進行預測,針對不同程度的裂縫進行相應的修補處理。

文獻[1]以摻加鋼纖維的混凝土構件作為試驗對象,對影響開裂的主要因素進行了分析。文獻[2]結合多場耦合作用原理,對核電站混凝土開裂風險進行了試驗研究。文獻[3]采用控制變量法,探究了不同重復加載頻率下混凝土的開裂性能影響因素。文獻[4]通過對早期混凝土開裂情況進行熱力模擬,對混凝土的耐久力進行了合理預測。上述方法均可以在一定程度上,實現對混凝土開裂情況的分析。但由于導致混凝土出現開裂的因素是多方面的,且不同因素對于開裂情況的影響程度也有所不同。因此,需要對開裂影響因素進行針對性分析,探究出不同因素的開裂敏感性。

本文以水利樞紐泵閘大體積混凝土為研究對象,通過對開裂機理進行分析,得到不同開裂因素的相對敏感性。在此基礎上,提出一種新型的開裂風險預測方法,旨在提高預測精度,對混凝土開裂現象進行有效預測。

1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測研究

1.1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂因素敏感性分析

在水利樞紐泵閘大體積混凝土應力平面上,混凝土的強度會因截面高度的影響呈現不均勻分布的情況,這種強度的差異性會導致抗拉強度最低處容易出現開裂?；炷灵_裂不僅影響表層的美觀程度,同時還會對構件內部的結構穩定性造成影響,從而影響水利樞紐泵閘的正常運轉。

影響混凝土開裂的因素有很多,如材料性質、結構穩定性以及施工環境等,不同的因素對于混凝土開裂的影響程度也有所不同[5]。因此,為了對水利樞紐泵閘大體積混凝土的開裂風險進行合理預測,本文在開裂機理分析的基礎上,選定開裂影響參數,并對開裂因素的敏感性進行分析。

首先,混凝土的實際抗拉強度與開裂前的應力有直接關系。當混凝土的抗拉強度曲線與應力曲線呈相切關系時,在曲線切點處最容易發生開裂。裂縫間距越大,混凝土的拉應力也會隨之增大。同理,當混凝土的實際抗拉強度與開裂應力曲線呈二次相切時,又會產生出新的裂縫[6]。同時,受到材料密度的影響,混凝土在開裂過后會出現回縮的情況,導致裂縫的寬度也隨之增大。因此,混凝土路面在出現第一條裂縫后,如果不及時進行修補,往往會出現更多開裂強度更大的裂縫。圖1為混凝土開裂機理圖。

圖1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂機理圖

基于上述分析,本文將開裂影響因素歸納為7個,具體變量以及對應的參數特征值見表1。

表1 開裂因素變量參數特征

針對上述開裂因素的隨機變量參數特征,本文通過計算影響因素對開裂風險的影響程度,完成對影響因素的敏感性分析。因此,本文通過構建線性回歸方程,對因素參數的實際影響程度進行分析,所構建的回歸方程表達式如下[7]:

式中:(xi,yi)為開裂因素變量i在回歸直線中的坐標值。

將表1中的開裂因素變量參數特征值,代入線性回歸方程中,計算出不同影響因素對應的敏感性相關系數[8]。為了方便直觀比較,對計算出的敏感性相關系數進行歸一化處理,由此得到可視化示意圖,見圖2。

圖2 開裂因素敏感度可視化示意圖

由圖2可知,鋼纖維混凝土抗拉強度對于混凝土開裂的影響程度最大,而橋板厚度和寬度對于開裂情況的影響程度最小。因此,在后續的開裂風險精準預測中,本文將忽略影響程度最小的兩個相關因素,針對影響程度較大的相關因素進行重點分析。

1.2 混凝土裂縫寬度計算

針對上節中篩選出的混凝土開裂因素變量,對裂縫寬度進行計算?；谏鲜鰧炷灵_裂機理的分析可知,混凝土裂縫寬度與鋼梁的抑制作用有關。雖然混凝土的抗拉強度會導致裂縫寬度變大,但混凝土內部結構中的鋼梁和栓釘卻能夠反向抑制混凝土表層的開裂情況。因此,在進行裂縫寬度計算時,除了要考慮上述歸納出的開裂因素變量,還需要考慮到鋼筋的附加應變[9]。在相同厚度的混凝土構件中,組合梁中性軸的高度差異也會對裂縫尺寸產生影響,具體見圖3。

圖3 組合梁中性軸高度差異對裂縫影響示意圖

由圖3可知,安裝了組合梁中性軸以及栓釘的混凝土構件,其開裂程度明顯低于正常的混凝土構件,開裂情況得到有效抑制。這主要是由于組合梁中性軸和栓釘與混凝土之前存在相對滑移,從而抑制了混凝土裂縫寬度的擴大[10]。因此,本文考慮組合梁中性軸對裂縫寬度的影響,選擇先對受拉混凝土有效截面面積進行計算,具體計算公式如下:

Ae=2c(h-h0)

(3)

式中:Ae為有效截面面積;c為截面寬度;h0為有效截面高度;h為混凝土構件高度。

而鋼筋有效接觸面積可以通過受拉混凝土有效面積以及鋼筋的彈性模量計算而得,具體公式如下:

式中:A為鋼筋有效接觸面積;n為鋼筋個數;Es為鋼筋的彈性模量。

基于上述對混凝土開裂影響因素的分析可知,鋼纖維混凝土抗拉強度對開裂程度影響最大,由此可得到參數的計算公式如下:

(5)

式中:m為組合梁中性軸到混凝土構件頂端之間的距離[11]。

結合統計學分析原理,對水利樞紐泵閘大體積混凝土最大裂縫寬度進行計算,具體公式如下:

式中:K為鋼筋應力;λ為鋼筋附加應變常數;ωmax為混凝土最大裂縫寬度。

通過上述步驟,即可計算出水利樞紐泵閘大體積混凝土裂縫最大寬度,為后續的裂縫風險預測提供依據[12]。

1.3 混凝土開裂風險概率計算

在完成水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂影響因素分析以及開裂寬度的計算后,本文通過結合貝葉斯參數法,對開裂概率進行計算,從而實現對開裂風險的精準預測。

大體積混凝土構件的開裂程度與結構變形傾斜程度相關,當構件頂部或底部的變形傾斜程度超過某一界限后,混凝土構件的表面就會發生開裂。因此,首先需要對混凝土構件的變形傾斜程度進行計算,具體公式如下[13]:

式中:γs為混凝土構件的變形傾斜程度;ΔS為位于混凝土構件同一高度上的兩點沉降差;ΔL為兩點的直線距離[14]。

由于水利樞紐泵閘大體積混凝土在開裂之間所持續的異常狀態具有較大的波動性,因此為對開裂前持續時間進行表征,可以通過結合指數分布算法構建出方程,具體表達式如下:

式中:TAS為混凝土開裂前異常狀態的持續時間;ζ為對應的概率函數參數;Tq為開裂前異常狀態的期望時間。

當TAS的值超過閾值時,代表混凝土構件表面的張力已經達到極限,此時將會出現開裂情況。在給定時間內,混凝土構件出現開裂的概率為:

(9)

與開裂概率相對應的開裂時間預估公式如下:

t=-ζln(1-PTAS)

(10)

根據所計算出的開裂概率,對開裂風險進行預測。對此,本文結合概率間隔以及概率中間值,將開裂風險一共分為5級。其中,一級風險所開裂的概率最低;五級風險所開裂的概率最高,具體風險概率對應分級結果見表2。

表2 風險等級與開裂概率對照表

將上文中所計算出的混凝土開裂概率與表2中的風險等級進行對應,即可得到不同開裂概率下對應的風險結果,從而實現混凝土開裂風險預測[15]。

通過上述步驟,即可完成對于混凝土開裂概率的計算,通過結合概率風險等級對照表,實現對開裂風險的預測。將本節內容與上述提到的開裂寬度計算以及開裂影響因素敏感性分析等相關內容進行結合,至此,水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測方法設計完成。

2 試驗論證

為了驗證本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測方法的預測效果,優于常規的大體積混凝土開裂風險精準預測方法,在理論部分的設計完成后,構建試驗環節,對本文方法的實際預測效果進行檢驗。

2.1 試驗說明

為了驗證本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測方法的有效性,本次試驗選取兩種常規的大體積混凝土開裂風險精準預測方法作為對比對象,分別為基于神經網絡的大體積混凝土開裂風險精準預測方法,以及基于蟻群算法的大體積混凝土開裂風險精準預測方法。通過構建試驗平臺,采用3種預測方法,對同一組模型進行預測,對比不同風險預測方法的實際預測效果。

2.2 試驗準備

本次選取的試驗對象為某地區水利工程的護岸結構。該工程主要施工內容為在現狀河道基礎上進行河道整治,根據現狀河口寬度及河道穩定要求,河口寬度不小于現狀,河底高程不高于0.50m,設計高程為低于4.60m段加高至4.60m,高于4.60m段維持現狀地面高。工程等別為Ⅲ等工程,主要建筑物護岸為3級水工建筑物,臨時工程為5級水工建筑物。圖4為現場施工圖。

圖4 研究對象現場施工圖

為了對研究對象的開裂風險進行預測對比分析,本次試驗采用有限元軟件Abaqus構建出細觀模型,用于3種預測方法的實際分析。為了更好地比較出3種預測方法的實際預測性能,本文從試驗對象中隨機選取3個試件進行模擬構建,具體試件參數見表3。

根據上述試驗參數,采用有限元軟件Abaqus構建出3種試件的細觀模型,并采用不同的開裂風險預測方法對其進行開裂預測。試件截面見圖5。

為了提高試驗結果的可靠性,本次試驗對3個試件的混凝土抗壓強度進行了調整,3個試件的抗壓強度分別調整為25、30、35N/mm2,并采用3種預測方法對試件進行模擬開裂預測,對比不同方法下的開裂風險系數誤差值,從而比較出方法的實際預測效果。

表3 試件參數

圖5 試件截面結構圖

2.3 預測精度對比結果

本次對比試驗選取的對比指標為不同方法的預測精度,具體衡量指標為開裂風險系數的誤差值,該值越低,代表方法的預測精度越高。具體試驗結果見圖6-圖8。

圖6 試件A的開裂風險系數誤差對比結果

圖8 試件C的開裂風險系數誤差對比結果

根據上述試驗結果可以看出,在針對不同抗壓強度的混凝土試件進行開裂風險預測時,不同方法的預測精度也有所不同。通過上述開裂風險系數誤差對比結果可以看出,本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開裂風險精準預測方法所得到的風險系數誤差,明顯低于兩種傳統的預測方法,且不會隨著模擬時間的延長出現較大的波動,表明本文方法的預測精度優于常規的預測方法。

3 結 語

本文針對常規的混凝土開裂風險預測方法預測精度較差的問題,通過對混凝土開裂機理進行分析,歸納出不同的開裂影響因素,并對其進行了敏感性分析。在此基礎上,構建出的開裂風險預測方法具備更高的預測精度,能夠對混凝土的開裂時間以及開裂概率進行精準預測。